C/C++ 結構體的一個高級特性 ―― 指定成員的位數

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在大多數情況下，我們一般這樣定義結構體：

struct student

{

????????????? ? unsigned int sex;

????????????? unsigned int age;

};

對于一般的應用，這已經能很充分地實現數據了的 “ 封裝 ” 。

但是，在實際工程中，往往碰到這樣的情況：那就是要用一個基本類型變量中的不同的位表示不同的含義。譬如一個 cpu 內部的標志寄存器，假設為 16 bit ，而每個 bit 都可以表達不同的含義，有的表示結果是否為 0 ，有的表示是否越界等等。這個時候我們用什么數據結構來表達這個寄存器呢？

答案還是結構體！

為達到此目的，我們要用到結構體的高級特性，那就是在基本成員變量的后面添加“ : 數據位數”組成新的結構體：

struct xxx

{

????????????? 成員 1 類型成員 1 : 成員 1 位數 ;

?????? ????? ? 成員 2 類型成員 2 : 成員 2 位數 ;

?????? ????? ? 成員 3 類型成員 3 : 成員 3 位數 ;

};

基本的成員變量就會被拆分！這個語法在初級編程中很少用到，但是在高級程序設計中不斷地被用到！例如：

struct student

{

????????????? ? unsigned int sex : 1;

????????????? unsigned int age : 15;

};

上述結構體中的兩個成員 sex 和 age 加起來只占用了一個 unsigned int 的空間（假設 unsigned int 為 16 位）。

基本成員變量被拆分后，訪問的方法仍然和訪問沒有拆分的情況是一樣的，例如：

struct student sweek;

sweek.sex = MALE;// 這里的 MALE 只能是 0 或 1 ，值不能大于 1

sweek.age = 20;

雖然拆分基本成員變量在語法上是得到支持的，但是并不等于我們想怎么分就怎么分，例如下面的拆分顯然是不合理的：

struct student

{

????????????? ??? unsigned int sex : 1;

????????????? ? unsigned int age : 12;

};

這是因為 1+12 = 13 ，不能再組合成一個基本成員，不能組合成 char 、 int 或任何類型，這顯然是不能 “ 自圓其說 ” 的。

在拆分基本成員變量的情況下，我們要特別注意數據的存放順序，這還與 CPU 是 Big endian 還是 Little endian 來決定。 Little endian 和 Big endian 是 CPU 存放數據的兩種不同順序。對于整型、長整型等數據類型， Big endian 認為第一個字節是最高位字節（按照從低地址到高地址的順序存放數據的高位字節到低位字節）；而 Little endian 則相反，它認為第一個字節是最低位字節（按照從低地址到高地址的順序存放數據的低位字節到高位字節）。

我們定義 IP 包頭結構體為：

struct iphdr {

#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)

?????? __u8?????? ihl:4,

?????? ?????? version:4;

#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)

?????? __u8?????? version:4,

???? ?????? ihl:4;

#else

#error?????? "Please fix <asm/byteorder.h>"

#endif

?????? __u8?????? tos;

?????? __u16?????? tot_len;

?????? __u16?????? id;

?????? __u16?????? frag_off;

?????? __u8?????? ttl;

?????? __u8?????? protocol;

?????? __u16?????? check;

?????? __u32?????? saddr;

?????? __u32?????? daddr;

?????? /*The options start here. */

};

在 Little endian 模式下， iphdr 中定義：

?????? __u8?????? ihl:4,

?????? ?????? version:4;

其存放方式為：

第 1 字節低 4 位 ?ihl

第 1 字節高 4 位 ?version （ IP 的版本號）

若在 Big endian 模式下還這樣定義，則存放方式為：

第 1 字節低 4 位 ?version （ IP 的版本號）

第 1 字節高 4 位 ?ihl

這與實際的 IP 協議是不匹配的，所以在 Linux 內核源代碼中， IP 包頭結構體的定義利用了宏：

#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)

…

#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)

…

#endif

來區分兩種不同的情況。

由此我們總結全文的主要觀點：

（ 1 ） ?????? C/C++ 語言的結構體支持對其中的基本成員變量按位拆分；

（ 2 ） ?????? 拆分的位數應該是合乎邏輯的，應仍然可以組合為基本成員變量；

要特別注意拆分后的數據的存放順序，這一點要結合具體的 CPU 的結構。

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該文是由宋寶華處轉載而來的，筆者以前從未知道結構體還可以這樣用法，筆者做過嘗試，再 VC 下用過的感受有兩點

1、????????????? 結構體按位拆分時，雖然宋兄提醒不能拆分如文中紅色背景顯示的情況，但是本人試過，并非是不可以的，而且如果 CPU 支持 32 的話，顯然文中的以 16 位來分配的話也是沒有達到要求的。

2、????????????? 按位拆分時字節數目問題，我們先看兩例

?????? struct student1

?????? {

????????????? unsigned char sex : 1;

????????????? unsigned int? no : 5;

????????????? char??????? ??age : 7;

????????????? int????????? grade : 10;

?????? };

?

????????????? struct student2

?????? {

????????????? unsigned char sex : 1;

????????????? char??????? ? ?age : 7;

????????????? unsigned int ?no : 5;???????????

????????????? int????????? grade : 10;

?????? };

以上兩例中雖然意思并不大，但是如果按 int 為 2 字節 16 位 char 為 1 字節 8 位來劃分內存的話，那么 student1 占用了 6 字節共 48 位，但是實際使用了 23 位，另外 25 位沒定義，而 student2 占用了 3 字節共 24 位，但是實際使用也是 23 位。這個過程，我把它總結為前后變量的類型不一致時，字節就重新分配。

3、????????????? 賦值過程中數據編碼問題。還看兩例

?????? student1 ss;

?????? ss.age = 255;

?????? student2 st;

?????? st.age= 191;

ss.age 的值為 -1 ，而 st.age 的值為 63 ，其實 255 為 11111111 ，因為是 7 位，所以采用截斷方式，變成 1111111 ，又因為 age 是有符號的變量，所以根據負數的編碼規則賦值 255 時得到的結果就是 -1 。在這里采用了截斷的方式，為止正確賦值時一定不能大于位數編碼值。

以上是個人學習宋兄文章的小小實踐小結，歡迎大家給出更理論的總結。原文請查看 http://blog.donews.com/21cnbao/archive/2006/10/07/1054807.aspx